无机非金属材料的结构和组成材料科学基础.pptx

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1、会计学1无机非金属材料的结构和组成材料科学基无机非金属材料的结构和组成材料科学基础础3-33-3无机非金属材料的结构和组成无机非金属材料的结构和组成无机非金属材料的结构和组成无机非金属材料的结构和组成Composition Composition&Structure Structure of of Inorganic-nonmetalic Inorganic-nonmetalic MaterialsMaterials3-3-1 3-3-1 组成和结合键组成和结合键组成和结合键组成和结合键1.1.组成组成组成组成 广义：除有机物、金属和金属合金以外。广义：除有机物、金属和金属合金以外。广义：除有

2、机物、金属和金属合金以外。广义：除有机物、金属和金属合金以外。常见的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料四大类常见的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料四大类常见的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料四大类常见的陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料四大类 组分组分组分组分：硅酸盐类，氧化物类，氮化物、碳化物等：硅酸盐类，氧化物类，氮化物、碳化物等：硅酸盐类，氧化物类，氮化物、碳化物等：硅酸盐类，氧化物类，氮化物、碳化物等2.2.结合键结合键结合键结合键 bonding typebonding type 离子键：离子键：离子键：离子键：正负离子、键强度高、紧密堆积、无正负离子、键强度高、紧密堆积、无正负离子、键强度高、紧密堆积、无正负

3、离子、键强度高、紧密堆积、无 方向性，方向性，方向性，方向性，金属氧化物如氧化镁、氧化铝金属氧化物如氧化镁、氧化铝金属氧化物如氧化镁、氧化铝金属氧化物如氧化镁、氧化铝 共价键：共价键：共价键：共价键：共用电子对、有方向性，如金钢石共用电子对、有方向性，如金钢石共用电子对、有方向性，如金钢石共用电子对、有方向性，如金钢石 混混混混合合合合键键键键（离离离离子子子子、共共共共价价价价）：在在在在种种种种类类类类繁繁繁繁多多多多的的的的无无无无机机机机矿矿矿矿物物物物中，混合键的存在及键合的多样性是其显著的特征。中，混合键的存在及键合的多样性是其显著的特征。中，混合键的存在及键合的多样性是其显著的特

4、征。中，混合键的存在及键合的多样性是其显著的特征。第1页/共33页混混合合键键（即即晶晶体体结结构构中中既既存存在在共共价价键键，又又存存在在离离子子键键，甚甚至至存在范德华键）：存在范德华键）：如如如如：白白白白云云云云母母母母KAlKAl2 2AlSiAlSi3 3OO1010(OH,F)(OH,F)2 2:层层层层片片片片内内内内为为为为共共共共价价价价键键键键合合合合，层层层层间间间间由由由由K K离离离离子子子子键键键键合合合合，其其其其键键键键合合合合形形形形式式式式为为为为典典典典型的离子共价混合键；型的离子共价混合键；型的离子共价混合键；型的离子共价混合键；在在在在滑滑滑滑石石

5、石石结结结结构构构构中中中中，层层层层片片片片内内内内为为为为共共共共价价价价键键键键合合合合及及及及包包包包含含含含OHOH-、二二二二价价价价正正正正离离离离子子子子和和和和三三三三价价价价正正正正离离离离子子子子的的的的离离离离子子子子键键键键合合合合，层层层层间间间间却却却却为为为为范范范范德德德德华华华华键键键键，其其其其键键键键合合合合形形形形式式式式为为为为典典典典型型型型的的的的离离离离子共价范德华混合键。子共价范德华混合键。子共价范德华混合键。子共价范德华混合键。第2页/共33页3-3-23-3-2无机非金属材料中的无机非金属材料中的无机非金属材料中的无机非金属材料中的简单晶

6、体结构简单晶体结构简单晶体结构简单晶体结构 Simple Crystalline StructureSimple Crystalline Structure属于无机非金属材料范畴的物质种类繁多，形式各异。属于无机非金属材料范畴的物质种类繁多，形式各异。从其结构中基本粒子间的键合来讲，包含了从其结构中基本粒子间的键合来讲，包含了离子键、共价键、氢键和范德华键；离子键、共价键、氢键和范德华键；从其晶体结构中基本粒子的空间排布来看，则涉及到晶体结构中从其晶体结构中基本粒子的空间排布来看，则涉及到晶体结构中所有所有7个晶系个晶系（立方晶系、四方晶系、正交晶系、三方晶系、六方晶系、单斜晶系及三斜晶系）。

7、（立方晶系、四方晶系、正交晶系、三方晶系、六方晶系、单斜晶系及三斜晶系）。此外，在构成无机非金属材料的众多物质中，除少数单质外，此外，在构成无机非金属材料的众多物质中，除少数单质外，绝大多数无机化合物由两种或两种以上的元素组成绝大多数无机化合物由两种或两种以上的元素组成。因此，在无机非金属材料的晶体结构中，除涉及晶体结构的因此，在无机非金属材料的晶体结构中，除涉及晶体结构的7个基本晶系外，还包括不同质点空间点阵的相互嵌合，这将使无机非金属材料的晶体结构趋于复杂化。个基本晶系外，还包括不同质点空间点阵的相互嵌合，这将使无机非金属材料的晶体结构趋于复杂化。第3页/共33页AXAmXpAmBnXp第

8、4页/共33页第5页/共33页1.1.单晶硅单晶硅单晶硅单晶硅 单单单单晶晶晶晶硅硅硅硅属属属属于于于于立立立立方方方方晶晶晶晶系系系系，为为为为典典典典型型型型的的的的共共共共价价价价晶晶晶晶体体体体（原子晶体）。（原子晶体）。（原子晶体）。（原子晶体）。硅硅硅硅 的的的的 外外外外 层层层层 电电电电 子子子子（3s3s2 23p3p2 2）发发发发生生生生spsp3 3杂杂杂杂化化化化，分分分分别别别别与与与与4 4个个个个最最最最邻邻邻邻近近近近的的的的硅硅硅硅原原原原子子子子以以以以共共共共价价价价键键键键相相相相键键键键合合合合，故故故故其其其其配配配配位位位位数数数数为为为为4

9、4，在在在在空空空空间间间间形形形形成立方结构。成立方结构。成立方结构。成立方结构。几种几种典型晶体典型晶体结构结构单晶硅的单位晶胞单晶硅的单位晶胞第6页/共33页2.2.氯化钠与氯化铯氯化钠与氯化铯氯化钠与氯化铯氯化钠与氯化铯 AX-TYPEAX-TYPE氯氯氯氯化化化化钠钠钠钠晶晶晶晶体体体体与与与与氯氯氯氯化化化化铯铯铯铯晶晶晶晶体体体体均均均均属属属属于于于于立立立立方方方方晶晶晶晶系系系系，均均均均为为为为典典典典型的离子晶体。型的离子晶体。型的离子晶体。型的离子晶体。正负离子半径比正负离子半径比正负离子半径比正负离子半径比 配位数配位数配位数配位数 NaNa+/Cl/Cl-0.52

10、4 6 0.524 6 呈正八面体配位呈正八面体配位呈正八面体配位呈正八面体配位 CsCs+/Cl/Cl-0.933 8 0.933 8 呈立方体配位呈立方体配位呈立方体配位呈立方体配位 Figure3.5Figure3.6第7页/共33页3.3.面心立方面心立方面心立方面心立方ZnSZnS和六方和六方和六方和六方ZnSZnS 极性共价键极性共价键极性共价键极性共价键 Zn-SZn-S，两者均属于共价晶体，两者均属于共价晶体，两者均属于共价晶体，两者均属于共价晶体面心立方面心立方面心立方面心立方ZnSZnS S S 配位数配位数配位数配位数4 4、位于面心立方点上、位于面心立方点上、位于面心立

11、方点上、位于面心立方点上 Zn Zn 配位数配位数配位数配位数4 4、位于四面体间隙中、位于四面体间隙中、位于四面体间隙中、位于四面体间隙中 AX-TYPE第8页/共33页六方六方六方六方ZnSZnS由一套简单六方的由一套简单六方的S S原子格子和一套简单六方的原子格子和一套简单六方的ZnZn原子格子，在原子格子，在a a、b b轴上重合，轴上重合，c c轴上错位轴上错位5/85/8穿插配置而成。穿插配置而成。第9页/共33页4.4.钙钛矿钙钛矿钙钛矿钙钛矿晶体晶体晶体晶体 CaTiOCaTiO3 3 标标标标准准准准钙钙钙钙钛钛钛钛矿矿矿矿晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构属属属属于于于于立立

12、立立方方方方晶晶晶晶系系系系，单单单单位位位位晶晶晶晶胞胞胞胞包包包包含含含含一一一一个个个个分分分分子子子子单单单单位，其中：位，其中：位，其中：位，其中：CaCa2+2+立方体顶角立方体顶角立方体顶角立方体顶角 配位数配位数配位数配位数12 12（与（与（与（与OO2-2-相键合）相键合）相键合）相键合）OO2-2-面心面心面心面心 配位数配位数配位数配位数6 6（分别与（分别与（分别与（分别与4 4个个个个CaCa2 2和和和和2 2个个个个TiTi4 4相键合）相键合）相键合）相键合）TiTi4+4+体心体心体心体心 配位数配位数配位数配位数6 6（与（与（与（与OO2-2-相键合）相

13、键合）相键合）相键合）CaTiO3晶体的单位晶胞第10页/共33页n n在无机非金属矿物中，有许多物质的结构与钙钛矿结在无机非金属矿物中，有许多物质的结构与钙钛矿结在无机非金属矿物中，有许多物质的结构与钙钛矿结在无机非金属矿物中，有许多物质的结构与钙钛矿结构非常相似，统称为构非常相似，统称为构非常相似，统称为构非常相似，统称为钙钛矿型晶体结构钙钛矿型晶体结构钙钛矿型晶体结构钙钛矿型晶体结构，组成通式为，组成通式为，组成通式为，组成通式为ABOABO3 3。n n其中，其中，其中，其中，A A为与为与为与为与CaCa2 2相近的大阳离子，如相近的大阳离子，如相近的大阳离子，如相近的大阳离子，如B

14、aBa2 2、CdCd2 2、Y Y3+3+及及及及LaLa3 3等，称为等，称为等，称为等，称为A A位离子位离子位离子位离子；B B为与为与为与为与TiTi4 4相近的小阳相近的小阳相近的小阳相近的小阳离子，如离子，如离子，如离子，如FeFe3 3、AlAl3 3、MnMn4 4及及及及ZrZr4 4等，称为等，称为等，称为等，称为B B位离子位离子位离子位离子。A A位离子和位离子和位离子和位离子和B B位离子的电价总和应等于位离子的电价总和应等于位离子的电价总和应等于位离子的电价总和应等于6 6。n n值得一提的是，在值得一提的是，在值得一提的是，在值得一提的是，在A A位或位或位或位

15、或B B位发生离子的取代后，将位发生离子的取代后，将位发生离子的取代后，将位发生离子的取代后，将形成一系列的钙钛矿结构晶体，如形成一系列的钙钛矿结构晶体，如形成一系列的钙钛矿结构晶体，如形成一系列的钙钛矿结构晶体，如BaTiOBaTiO3 3等，等，等，等，BaTiOBaTiO3 3及以此为基础形成的钛酸钡基固溶体，是压电及以此为基础形成的钛酸钡基固溶体，是压电及以此为基础形成的钛酸钡基固溶体，是压电及以此为基础形成的钛酸钡基固溶体，是压电材料以及温敏开关材料的基础。材料以及温敏开关材料的基础。材料以及温敏开关材料的基础。材料以及温敏开关材料的基础。无机功无机功无机功无机功能材料能材料能材料能

16、材料第11页/共33页5 5尖晶石尖晶石尖晶石尖晶石型晶体型晶体型晶体型晶体(MgAl(MgAl2 2OO4 4，通式为：通式为：通式为：通式为：ABAB2 2OO4 4)OO2-2-面心立方密堆面心立方密堆面心立方密堆面心立方密堆 立方晶系立方晶系立方晶系立方晶系 A A2+2+填充在四面体间隙填充在四面体间隙填充在四面体间隙填充在四面体间隙 B B3+3+填充在八面体间隙填充在八面体间隙填充在八面体间隙填充在八面体间隙 单位晶胞单位晶胞单位晶胞单位晶胞包含包含包含包含8 8个分子，即个分子，即个分子，即个分子，即A A8 8B B1616OO3232，尖尖尖尖晶晶晶晶石石石石晶晶晶晶胞胞胞

17、胞可可可可看看看看作作作作由由由由8 8个个个个小小小小块块块块拼拼拼拼合合合合而而而而成成成成，每每每每个个个个小小小小块块块块中中中中的的的的氧氧氧氧离离离离子子子子点点点点阵阵阵阵为为为为一一一一个个个个标标标标准准准准的的的的面面面面心心心心立立立立方方方方密密密密堆堆堆堆，其其其其中中中中共共共共棱棱棱棱小小小小块块块块的的的的结结结结构构构构相相相相同同同同而而而而共共共共面面面面小小小小块块块块结结结结构构构构不不不不同同同同，分分分分别标记为别标记为别标记为别标记为A A块和块和块和块和B B块，单位晶胞中块，单位晶胞中块，单位晶胞中块，单位晶胞中A A块和块和块和块和B B块

18、各占块各占块各占块各占4 4块，如图所示。块，如图所示。块，如图所示。块，如图所示。A A块块块块中中中中 A A2+2+填充四面体间隙共填充四面体间隙共填充四面体间隙共填充四面体间隙共2 2个、个、个、个、单位晶胞中单位晶胞中单位晶胞中单位晶胞中A A2 2为为为为 4*2=84*2=8个个个个 B B块块块块中中中中 B B3+3+填充八面体间隙共填充八面体间隙共填充八面体间隙共填充八面体间隙共4 4个、个、个、个、单位晶胞中单位晶胞中单位晶胞中单位晶胞中B B3 3为为为为 4*4=164*4=16个个个个A A2+2+和和和和B B3 3按此规律进行填充所形成的晶体结构称为按此规律进行

19、填充所形成的晶体结构称为按此规律进行填充所形成的晶体结构称为按此规律进行填充所形成的晶体结构称为正尖晶石结构正尖晶石结构正尖晶石结构正尖晶石结构。第12页/共33页反尖晶石反尖晶石B(AB)O4Al(MgAl)O4若单位晶胞若单位晶胞4个个A块中块中A2占据的占据的8个四面体空隙被个四面体空隙被8个个B3填充，而另外填充，而另外8个个B3+与与8个个A2填充到填充到16个八个八面体空隙中，则形成面体空隙中，则形成反尖晶石型反尖晶石型晶体结构。晶体结构。尖晶石型晶体是无机矿物中一个非常重要的种类，在陶瓷的相组成中经常出现尖晶石相，对陶瓷的机械性能和电性能、磁性能具有较大的影响。尖晶石型晶体是无机

20、矿物中一个非常重要的种类，在陶瓷的相组成中经常出现尖晶石相，对陶瓷的机械性能和电性能、磁性能具有较大的影响。第13页/共33页3-3-3 3-3-3 硅酸盐晶体硅酸盐晶体硅酸盐晶体硅酸盐晶体结构结构结构结构 Silicate Crystalline StructuresSilicate Crystalline Structures 结构基础结构基础结构基础结构基础 SiOSiO4 4 4-4-四面体四面体四面体四面体，SiSi4+4+中心，中心，中心，中心，OO2-2-顶。顶。顶。顶。硅硅硅硅极极极极易易易易与与与与氧氧氧氧形形形形成成成成牢牢牢牢固固固固的的的的键键键键合合合合，与与与与氧氧

21、氧氧结结结结合合合合后后后后，成成成成为为为为硅硅硅硅氧氧氧氧烷烷烷烷聚聚聚聚合合合合物和硅酸盐矿物的基础。物和硅酸盐矿物的基础。物和硅酸盐矿物的基础。物和硅酸盐矿物的基础。由由由由于于于于氧氧氧氧的的的的电电电电负负负负性性性性大大大大于于于于硅硅硅硅，所所所所以以以以SiSiOO键键键键具具具具有有有有极极极极性性性性，电电电电子子子子偏偏偏偏向向向向氧原子，故氧原子，故氧原子，故氧原子，故SiSi原子上产生正电荷。原子上产生正电荷。原子上产生正电荷。原子上产生正电荷。两个邻近四面体之间通常两个邻近四面体之间通常两个邻近四面体之间通常两个邻近四面体之间通常共顶共顶共顶共顶相连，相连，相连，

22、相连，偶尔共棱，从不共面。偶尔共棱，从不共面。偶尔共棱，从不共面。偶尔共棱，从不共面。Silicon-OxygenTetrahedron第14页/共33页n n硅酸盐是含氧盐矿物中品种最硅酸盐是含氧盐矿物中品种最多的一类矿物，根据硅氧四面多的一类矿物，根据硅氧四面体与相邻硅氧四面体共顶情况，体与相邻硅氧四面体共顶情况，衍变成不同结构的络阴离子团，衍变成不同结构的络阴离子团，在空间排列而形成在空间排列而形成岛状结构、岛状结构、环状结构、链状结构、层状结环状结构、链状结构、层状结构和架状结构构和架状结构5个亚类的硅酸个亚类的硅酸盐结构形式。盐结构形式。第15页/共33页孤孤孤孤岛岛岛岛状状状状结结

23、结结构构构构：硅硅硅硅氧氧氧氧四四四四面面面面体体体体间间间间不不不不共共共共顶顶顶顶，相相相相互互互互不不不不联联联联接接接接而而而而各各各各自自自自孤孤孤孤立立立立存存存存在在在在，此此此此时时时时络络络络阴阴阴阴离子团以离子团以离子团以离子团以 SiO SiO4 4 4-4-形式存在。形式存在。形式存在。形式存在。联联联联岛岛岛岛状状状状结结结结构构构构：两两两两个个个个硅硅硅硅氧氧氧氧四四四四面面面面体体体体共共共共用用用用一一一一顶顶顶顶，则则则则形形形形成成成成联联联联岛岛岛岛状状状状结结结结构构构构，此此此此时时时时络络络络阴阴阴阴离离离离子子子子团以团以团以团以 Si Si2

24、2OO7 7 6-6-形式存在。形式存在。形式存在。形式存在。在在在在这这这这类类类类结结结结构构构构中中中中，由由由由于于于于是是是是以以以以离离离离子子子子键键键键相相相相联联联联接接接接，键键键键合合合合力力力力强强强强且且且且在在在在各各各各个个个个方方方方向向向向相相相相差差差差不不不不大，因此这类物质表现出较高的硬度，结构稳定且没有明显的解理。大，因此这类物质表现出较高的硬度，结构稳定且没有明显的解理。大，因此这类物质表现出较高的硬度，结构稳定且没有明显的解理。大，因此这类物质表现出较高的硬度，结构稳定且没有明显的解理。如镁橄榄石就是一种高度稳定的硅酸盐矿物。如镁橄榄石就是一种高度

25、稳定的硅酸盐矿物。如镁橄榄石就是一种高度稳定的硅酸盐矿物。如镁橄榄石就是一种高度稳定的硅酸盐矿物。孤岛状结构SiO44-联岛状结构Si2O76-第16页/共33页环状环状环状环状：硅氧四面体共用两顶，在空间不断延伸形成环状。：硅氧四面体共用两顶，在空间不断延伸形成环状。：硅氧四面体共用两顶，在空间不断延伸形成环状。：硅氧四面体共用两顶，在空间不断延伸形成环状。典典典典型型型型的的的的环环环环状状状状结结结结构构构构可可可可分分分分为为为为三三三三节节节节环环环环和和和和六六六六节节节节环环环环，其其其其络络络络阴阴阴阴离离离离子子子子团团团团分分分分别别别别为为为为 SiSi3 3OO9 9

26、6-6-和和和和 SiSi6 6OO1818 12-12-。环环环环状状状状结结结结构构构构的的的的络络络络阴阴阴阴离离离离子子子子团团团团依靠引入的阳离子进行联系而得到环状结构硅酸盐。依靠引入的阳离子进行联系而得到环状结构硅酸盐。依靠引入的阳离子进行联系而得到环状结构硅酸盐。依靠引入的阳离子进行联系而得到环状结构硅酸盐。如蓝锥石和绿柱石分别为典型的三节环状和六节环状结构。如蓝锥石和绿柱石分别为典型的三节环状和六节环状结构。如蓝锥石和绿柱石分别为典型的三节环状和六节环状结构。如蓝锥石和绿柱石分别为典型的三节环状和六节环状结构。第17页/共33页链状链状单链单链硅氧四面体共用两顶，并在一维方向无

27、限延伸，其络阴离子团为硅氧四面体共用两顶，并在一维方向无限延伸，其络阴离子团为1Si2O64-双链双链在两个相邻联接的硅氧四面体中，其中一个四面体有两个顶角被共用，而另一个四面体有在两个相邻联接的硅氧四面体中，其中一个四面体有两个顶角被共用，而另一个四面体有3个顶角被共用，称为平均共用两个半顶角，并在一维方向无限延伸，其络阴离子团为个顶角被共用，称为平均共用两个半顶角，并在一维方向无限延伸，其络阴离子团为1Si4O116-单链和双链：单链和双链：链间均是依赖引入的阳离子来维系，链上是键合很强的极性共价键，链间是离子键。相对而言，链上的键合较强而链间键合较弱。因此，链状结构硅酸盐在不同方向的性质

28、是不同的，受外力作用时解理易在链间发生，并且解离面间有一定的角度。链间均是依赖引入的阳离子来维系，链上是键合很强的极性共价键，链间是离子键。相对而言，链上的键合较强而链间键合较弱。因此，链状结构硅酸盐在不同方向的性质是不同的，受外力作用时解理易在链间发生，并且解离面间有一定的角度。第18页/共33页层层层层状状状状：硅硅硅硅氧氧氧氧四四四四面面面面体体体体中中中中有有有有3 3个个个个顶顶顶顶角角角角氧氧氧氧分分分分别别别别与与与与其其其其他他他他四四四四面面面面体体体体共共共共 用用用用，得得得得 到到到到 二二二二 维维维维 方方方方 向向向向 无无无无 限限限限 延延延延 伸伸伸伸 的的

29、的的 硅硅硅硅 氧氧氧氧 负负负负 离离离离 子子子子 片片片片，用用用用 2 2 SiSi2 2OO5 5 2-2-表表表表示示示示。负负负负离离离离子子子子片片片片内内内内是是是是键键键键合合合合较较较较强强强强的的的的极极极极性性性性共共共共价价价价键键键键，而而而而负负负负离离离离子子子子片片片片间间间间可可可可通通通通过过过过结结结结构构构构中中中中引引引引入入入入的的的的阳阳阳阳离离离离子子子子以以以以离离离离子子子子键键键键相相相相联联联联接接接接，也也也也可可可可依依依依靠靠靠靠负负负负离离离离子子子子片片片片间间间间的的的的范范范范德德德德华华华华键键键键相相相相联联联联接接

30、接接而形成层状结构硅酸盐。而形成层状结构硅酸盐。而形成层状结构硅酸盐。而形成层状结构硅酸盐。硅硅硅硅氧氧氧氧层层层层间间间间不不不不同同同同的的的的键键键键合合合合形形形形式式式式将将将将会会会会对对对对层层层层状状状状结结结结构构构构硅硅硅硅酸酸酸酸盐盐盐盐的的的的性性性性质质质质产生非常大的影响。产生非常大的影响。产生非常大的影响。产生非常大的影响。例如：例如：例如：例如：1）白云母结构中，负离子片间由）白云母结构中，负离子片间由K离子结合，层内及层间均为较强的化学键合，因而解理难以进行；离子结合，层内及层间均为较强的化学键合，因而解理难以进行；2）滑石结构中层间依靠范德华键结合，层内键合

31、强而层间键合弱，易沿层间发生解理。）滑石结构中层间依靠范德华键结合，层内键合强而层间键合弱，易沿层间发生解理。固体润滑剂固体润滑剂第19页/共33页架状架状:硅氧四面体的所有四个顶角氧均分别与其他硅氧四面体共用，则在三维空间形成规则的架状网络，通常将其表示为硅氧四面体的所有四个顶角氧均分别与其他硅氧四面体共用，则在三维空间形成规则的架状网络，通常将其表示为3SiO2，这即为纯晶态二氧化硅的晶体结构。这即为纯晶态二氧化硅的晶体结构。第20页/共33页n n架状结构硅酸盐晶体的架状结构硅酸盐晶体的架状结构硅酸盐晶体的架状结构硅酸盐晶体的SiOSiO4 4 中，常有一定数量的中，常有一定数量的中，常

32、有一定数量的中，常有一定数量的SiSi原子被原子被原子被原子被AlAl原子置换，原子置换，原子置换，原子置换，这种置换现象只能在两种原子半这种置换现象只能在两种原子半这种置换现象只能在两种原子半这种置换现象只能在两种原子半径相差不大时才能发生，置换的结果不影响晶体的结径相差不大时才能发生，置换的结果不影响晶体的结径相差不大时才能发生，置换的结果不影响晶体的结径相差不大时才能发生，置换的结果不影响晶体的结构状况，构状况，构状况，构状况，称为称为称为称为同晶置换同晶置换同晶置换同晶置换。n n进行同晶置换后的晶体，由于进行同晶置换后的晶体，由于进行同晶置换后的晶体，由于进行同晶置换后的晶体，由于A

33、lAl原子与原子与原子与原子与SiSi原子价键的原子价键的原子价键的原子价键的差异，使得一些氧原子产生不饱和的键合轨道，晶体差异，使得一些氧原子产生不饱和的键合轨道，晶体差异，使得一些氧原子产生不饱和的键合轨道，晶体差异，使得一些氧原子产生不饱和的键合轨道，晶体结构达不到电中性。为满足晶体结构的静电价规则，结构达不到电中性。为满足晶体结构的静电价规则，结构达不到电中性。为满足晶体结构的静电价规则，结构达不到电中性。为满足晶体结构的静电价规则，必须引入碱金属或其他电正性的原子存在于架状结构必须引入碱金属或其他电正性的原子存在于架状结构必须引入碱金属或其他电正性的原子存在于架状结构必须引入碱金属或

34、其他电正性的原子存在于架状结构的间隙中，其电子进入尚未饱和的氧原子轨道，使整的间隙中，其电子进入尚未饱和的氧原子轨道，使整的间隙中，其电子进入尚未饱和的氧原子轨道，使整的间隙中，其电子进入尚未饱和的氧原子轨道，使整个晶体达到电中性。个晶体达到电中性。个晶体达到电中性。个晶体达到电中性。第21页/共33页3-3-43-3-4无机非金属材料的无机非金属材料的无机非金属材料的无机非金属材料的非晶体结构非晶体结构非晶体结构非晶体结构 Noncrystalline Structure-AmorphousNoncrystalline Structure-Amorphous 1.无机玻璃无机玻璃无机玻璃无机

35、玻璃的的组织结构组织结构组织结构组织结构 TextureTexture 主要成份主要成份主要成份主要成份：SiOSiO2 2、NaNa2 2OO、K K2 2OO、CaOCaO、MgOMgO、AlAl2 2OO3 3。键合形式键合形式键合形式键合形式：离子键、共价键，及其混合键。：离子键、共价键，及其混合键。慢冷慢冷 结晶结晶 急急冷冷(粘粘度度大大)无无定定形形（玻玻璃璃结结构构），无无规规网络网络 networknetworkSilicaCrystalSilicaGlass第22页/共33页 2.2.凝胶及胶凝材料凝胶及胶凝材料凝胶及胶凝材料凝胶及胶凝材料 (1)(1)凝胶的特性凝胶的特性

36、凝胶的特性凝胶的特性凝凝凝凝胶胶胶胶GelGel：是是是是指指指指胶胶胶胶体体体体质质质质点点点点在在在在一一一一定定定定的的的的条条条条件件件件下下下下相相相相互互互互联联联联接接接接所所所所形形形形成成成成的的的的空空空空间间间间网网网网状状状状结结结结构构构构，其其其其网网网网状状状状结结结结构构构构的的的的间间间间隙隙隙隙填填填填充充充充满满满满分分分分散散散散介介介介质质质质（液液液液体体体体或或或或气体）。气体）。气体）。气体）。凝凝凝凝胶胶胶胶与与与与溶溶溶溶胶胶胶胶的的的的不不不不同同同同：溶溶溶溶胶胶胶胶中中中中的的的的胶胶胶胶体体体体质质质质点点点点是是是是独独独独立立立立

37、的的的的运运运运动动动动单单单单位位位位，可可可可以以以以自自自自由由由由运运运运动动动动而而而而具具具具有有有有良良良良好好好好的的的的流流流流动动动动性性性性；凝凝凝凝胶胶胶胶的的的的分分分分散散散散相相相相质质质质点点点点相相相相互互互互联联联联接接接接，在在在在整整整整个个个个体体体体系系系系内内内内形形形形成成成成结结结结构构构构，不不不不仅仅仅仅失失失失去去去去流流流流动动动动性性性性，而而而而且且且且显显显显示示示示出固体的性质，具有一定的弹性、强度、屈服值等。出固体的性质，具有一定的弹性、强度、屈服值等。出固体的性质，具有一定的弹性、强度、屈服值等。出固体的性质，具有一定的弹性

38、、强度、屈服值等。凝凝凝凝胶胶胶胶与与与与真真真真正正正正的的的的固固固固体体体体也也也也不不不不同同同同：它它它它由由由由分分分分散散散散相相相相及及及及分分分分散散散散介介介介质质质质两两两两相相相相构构构构成成成成，其结构强度有限，改变条件往往能使结构破坏。其结构强度有限，改变条件往往能使结构破坏。其结构强度有限，改变条件往往能使结构破坏。其结构强度有限，改变条件往往能使结构破坏。第23页/共33页(2)凝胶的结构凝胶的结构凝胶内部呈现三维网状结构，可分为四种类型：凝胶内部呈现三维网状结构，可分为四种类型：（a）球形质点相互联接形成一定的线性排列；）球形质点相互联接形成一定的线性排列；（

39、b）板状或棒状质点搭接成网状结构；）板状或棒状质点搭接成网状结构；（c）线性大分子构成的网架中部分长链有序排列成微晶区；）线性大分子构成的网架中部分长链有序排列成微晶区；（d）线性大分子间通过化学桥键而形成网状结构。）线性大分子间通过化学桥键而形成网状结构。第24页/共33页n n（3 3）胶凝材料胶凝材料胶凝材料胶凝材料 n n n n凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚硬凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚硬凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚硬凡能在物理、化学作用下，从浆体变成坚硬固体，并能胶结其他物料，具有一定机械强固体，并能胶结其他物料，具有一定机械强固体，并能胶结其他物料，具有一定

40、机械强固体，并能胶结其他物料，具有一定机械强度的物质，统称为度的物质，统称为度的物质，统称为度的物质，统称为胶凝材料胶凝材料胶凝材料胶凝材料，又称为，又称为，又称为，又称为胶结材胶结材胶结材胶结材料料料料。n n胶凝材料可分为有机和无机两大类。胶凝材料可分为有机和无机两大类。胶凝材料可分为有机和无机两大类。胶凝材料可分为有机和无机两大类。无机胶无机胶无机胶无机胶凝材料按照其硬化条件又能分为水硬性胶凝凝材料按照其硬化条件又能分为水硬性胶凝凝材料按照其硬化条件又能分为水硬性胶凝凝材料按照其硬化条件又能分为水硬性胶凝材料和气硬性胶凝材料。材料和气硬性胶凝材料。材料和气硬性胶凝材料。材料和气硬性胶凝材

41、料。水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料水硬性胶凝材料在在在在拌水后能在空气中硬化，也可以在水中硬化，拌水后能在空气中硬化，也可以在水中硬化，拌水后能在空气中硬化，也可以在水中硬化，拌水后能在空气中硬化，也可以在水中硬化，通常称为水泥，如硅酸盐水泥等；而通常称为水泥，如硅酸盐水泥等；而通常称为水泥，如硅酸盐水泥等；而通常称为水泥，如硅酸盐水泥等；而气硬性气硬性气硬性气硬性胶凝材料胶凝材料胶凝材料胶凝材料不能在水中硬化，只能在气体介质不能在水中硬化，只能在气体介质不能在水中硬化，只能在气体介质不能在水中硬化，只能在气体介质中硬化，如石灰、石膏等。中硬化，如石灰、石膏等。中硬化，如石灰、石膏

42、等。中硬化，如石灰、石膏等。第25页/共33页3-3-6 3-3-6 碳化合物碳化合物碳化合物碳化合物及其结构及其结构及其结构及其结构 Carbon and its Polymorphic CompoundsCarbon and its Polymorphic Compounds 1.1.石墨石墨石墨石墨 Graphite Graphite 碳的同素异构体碳的同素异构体碳的同素异构体碳的同素异构体六方晶体六方晶体六方晶体六方晶体粒晶几到几十微米粒晶几到几十微米粒晶几到几十微米粒晶几到几十微米 的片状结构。的片状结构。的片状结构。的片状结构。结构示意图：结构示意图：结构示意图：结构示意图：面内面

43、内面内面内C-C 1.42C-C 1.42埃，共价结合埃，共价结合埃，共价结合埃，共价结合 层间层间层间层间C-C 3.40C-C 3.40埃，物理键合埃，物理键合埃，物理键合埃，物理键合 应用：润滑、导电。应用：润滑、导电。应用：润滑、导电。应用：润滑、导电。人人人人造造造造石石石石墨墨墨墨：焦焦焦焦油油油油胶胶胶胶粘粘粘粘剂剂剂剂，石石石石油油油油焦焦焦焦炭炭炭炭成成成成型型型型后后后后，粘粘粘粘接接接接，在在在在20002000 C C以上的高温下处理制成石墨。以上的高温下处理制成石墨。以上的高温下处理制成石墨。以上的高温下处理制成石墨。第26页/共33页2.炭黑炭黑炭黑炭黑 Carbo

44、n blackCarbon black炭炭炭炭黑黑黑黑烃烃烃烃类类类类化化化化合合合合物物物物经经经经气气气气相相相相不不不不完完完完全全全全燃燃燃燃烧烧烧烧或或或或热热热热解解解解而而而而生生生生成成成成的的的的黑黑黑黑色色色色粉粉粉粉末末末末。其其其其主主主主成成成成分分分分为为为为碳碳碳碳，并并并并含含含含有有有有少少少少量量量量的的的的氧氧氧氧、氢氢氢氢和和和和硫硫硫硫等等等等，含含含含碳碳碳碳纯纯纯纯度在度在度在度在838399.599.5之间。之间。之间。之间。炭黑聚集体间有较大的空隙，因此炭黑具有较强的吸附能力。炭黑聚集体间有较大的空隙，因此炭黑具有较强的吸附能力。炭黑聚集体间有

45、较大的空隙，因此炭黑具有较强的吸附能力。炭黑聚集体间有较大的空隙，因此炭黑具有较强的吸附能力。按用途分类：按用途分类：按用途分类：按用途分类：橡胶用炭黑：轮胎补强橡胶用炭黑：轮胎补强橡胶用炭黑：轮胎补强橡胶用炭黑：轮胎补强色素用炭黑：颜料和着色剂色素用炭黑：颜料和着色剂色素用炭黑：颜料和着色剂色素用炭黑：颜料和着色剂第27页/共33页3.3.碳纤维碳纤维碳纤维碳纤维 Carbone Fiber Carbone Fiber 结构的基本单元为石墨层片结构的基本单元为石墨层片结构的基本单元为石墨层片结构的基本单元为石墨层片。乱层石墨微晶，微晶（头乱层石墨微晶，微晶（头乱层石墨微晶，微晶（头乱层石墨微

46、晶，微晶（头-头）连接形成碳纤维。头）连接形成碳纤维。头）连接形成碳纤维。头）连接形成碳纤维。制备：制备：制备：制备：原料：聚丙烯腈纤维原料：聚丙烯腈纤维原料：聚丙烯腈纤维原料：聚丙烯腈纤维 粘胶纤维粘胶纤维粘胶纤维粘胶纤维 沥青纤维沥青纤维沥青纤维沥青纤维 （主要）（主要）（主要）（主要）空气中空气中空气中空气中 预氧化预氧化预氧化预氧化 200300200300 C C 碳化（惰性气体）脱氢碳化（惰性气体）脱氢碳化（惰性气体）脱氢碳化（惰性气体）脱氢 石墨化石墨化石墨化石墨化碳纤维碳纤维碳纤维的主要用途是与聚合物、陶瓷、金属及碳素等基体复合作为结构材料。碳纤维的主要用途是与聚合物、陶瓷、金

47、属及碳素等基体复合作为结构材料。第28页/共33页 4 4、金刚石金刚石金刚石金刚石：钻石，：钻石，：钻石，：钻石，DiamondDiamond碳同素异构体碳同素异构体碳同素异构体碳同素异构体，立方晶系，立方晶系，立方晶系，立方晶系晶胞中晶胞中晶胞中晶胞中8 8个碳原子，个碳原子，个碳原子，个碳原子，spsp3 3杂化杂化杂化杂化 高硬度高硬度高硬度高硬度 物理性能天然金刚石硬度，kgf/mm210000体积模量，Gpa440-590杨氏模量，Gpa1200热导率，W/cm.K(300K)20纵波声速，m/s18000密度，g/cm33.6折射率(590nm)2.41透光性225nm25m电阻

48、率，.cm1016金刚石是自然界中硬度最高的物质，也是自然界中导热性最高的物质，同时金刚石还具有优异的抗腐蚀性和耐气候性等特点。金刚石是自然界中硬度最高的物质，也是自然界中导热性最高的物质，同时金刚石还具有优异的抗腐蚀性和耐气候性等特点。第29页/共33页 5 5、C C6060：巴基球，富勒烯：巴基球，富勒烯：巴基球，富勒烯：巴基球，富勒烯，FullerenesFullerenes Rohlfing Rohlfing等人等人等人等人19841984年发现，年发现，年发现，年发现，KrotoKroto等人等人等人等人19961996年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学奖年获诺贝尔化学

49、奖 碳同素异构体碳同素异构体碳同素异构体碳同素异构体6060（或（或（或（或7070）个碳原子组成的空心圆球，如同足球，）个碳原子组成的空心圆球，如同足球，）个碳原子组成的空心圆球，如同足球，）个碳原子组成的空心圆球，如同足球，1212个正五边形碳环和个正五边形碳环和个正五边形碳环和个正五边形碳环和2020个六边形碳环构成个六边形碳环构成个六边形碳环构成个六边形碳环构成 的的的的3232面体面体面体面体 正五边形的正五边形的正五边形的正五边形的C-CC-C键长：键长：键长：键长：1.4551.455埃埃埃埃 球的直径约球的直径约球的直径约球的直径约7.1-10 7.1-10 埃埃埃埃 第30页

50、/共33页C60的的C=C双键呈一定芳香性，具有特殊的化学活性，双键呈一定芳香性，具有特殊的化学活性，能进行亲核加成反应生成各种衍生物，如能进行亲核加成反应生成各种衍生物，如C60能够进行加氢反应，碱金属嵌入反应，羟基化反应等。能够进行加氢反应，碱金属嵌入反应，羟基化反应等。C60的球形分子结构，使其堆砌缝隙和空芯中可掺杂其他原子或分子，从而表现出超导性、强磁性等特殊性质，的球形分子结构，使其堆砌缝隙和空芯中可掺杂其他原子或分子，从而表现出超导性、强磁性等特殊性质，如如Rb、Ce等碱金属掺杂的等碱金属掺杂的C60所具有的超导性已引起人们的关注。所具有的超导性已引起人们的关注。第31页/共33页